Al粒徑對富鋁聚四氟乙烯基鋁活性材料沖擊反應(yīng)性能的影響

胡榕， 姜春蘭， 毛亮， 祁宇軒， 蔡尚曄， 胡萬翔

(1.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室, 北京 100081;2.中國北方車輛研究所， 北京 100072; 3.江蘇曙光光電有限公司, 江蘇 揚州 225009)

0 引言

聚四氟乙烯基鋁(PTFE/Al)活性材料是一種典型的沖擊反應(yīng)活性材料，這類材料通常表現(xiàn)為惰性，但是在強沖擊載荷作用下，聚四氟乙烯(PTFE)與Al之間會發(fā)生劇烈的氧化還原反應(yīng)，形成類爆轟現(xiàn)象，釋放出大量能量。因此，當(dāng)活性材料毀傷元作用目標(biāo)時，不僅具有傳統(tǒng)的動能毀傷模式，還可在侵靶過程中發(fā)生劇烈反應(yīng)，產(chǎn)生動能和化學(xué)能雙重毀傷，使毀傷元的綜合威力獲得大幅度的提升[1-3]。同時PTFE/Al活性材料較易制備[4-5]，強度較高[6]，具有良好的應(yīng)用前景。

PTFE/Al活性材料作為一種復(fù)合材料，其制備工藝、組分配比和粒徑等原材料差異對材料的力學(xué)性能及反應(yīng)特性影響顯著。金屬 Al顆粒作為 PTFE/Al活性材料的關(guān)鍵組分，在一定程度上決定了 PTFE/Al活性材料的反應(yīng)特性和力學(xué)性能，而金屬顆粒的粒徑是一個重要參數(shù)，當(dāng)金屬顆粒的粒徑不同時，其物理、化學(xué)性質(zhì)可能有很大差別。

Osborne等[7]通過差示掃描量熱法和熱重分析法研究Al粒徑對PTFE/Al熱分解過程的影響，實驗結(jié)果表明Al粒徑影響著材料的點火機理。Mock等[8]使用氫氣炮研究Al粒徑對于PTFE/Al桿沖擊引發(fā)特性的影響，結(jié)果表明當(dāng)Al粒徑不同時，PTFE/Al桿的沖擊引發(fā)閾值與引發(fā)時間均會隨之發(fā)生變化。周杰等[9-10]通過準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實驗和準(zhǔn)密閉容器沖擊釋能實驗，結(jié)合材料的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能初步分析了Al粒徑對活性材料的沖擊反應(yīng)釋能特性的影響規(guī)律。Feng等[11-13]對不同粒徑的PTFE/Al材料在中低應(yīng)變率下的力學(xué)性能及反應(yīng)情況進行研究，根據(jù)實驗現(xiàn)象提出了 PTFE/Al材料的裂紋尖端形成熱點的點火機理。Tang等[14]和烏布力艾散等[15]采用有限元方法從微觀角度研究了 Al粒徑及分布特征對 Al/PTFE 材料力學(xué)性能的影響。

本文采用分離式霍普金森壓桿(SHPB)實驗裝置對不同Al粒徑的富鋁PTFE/Al活性材料試件進行加載，并通過高速攝像機拍攝沖擊過程，通過分析實驗曲線及高速攝像圖片，探究Al粒徑對于富鋁PTFE/Al活性材料在不同應(yīng)變率加載下的沖擊反應(yīng)特性的影響。開展此項研究有助于深刻了解PTFE/Al的沖擊反應(yīng)機理，對PTFE/Al活性材料的工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

1 實驗設(shè)計

1.1 材料制備

本文將PTFE和Al的質(zhì)量配比固定為50%∶50%，采用模壓燒結(jié)成型法制備PTFE/Al活性材料。其中鋁粉的平均粒徑分別為50 nm、10 μm、70 μm和200 μm，納米鋁粉活性鋁含量在70%左右，微米鋁粉活性鋁含量在99%以上，鋁粉純度均在99.9%以上。

以少量無水乙醇為介質(zhì)，將Al粉和PTFE粉末在混料機中濕混10 h，使各組分混合均勻。然后進行24 h真空干燥，干燥后采用單軸冷壓方式將活性粉體模壓成型并將壓坯自然放置24 h，以消除內(nèi)部氣體及殘余應(yīng)力。然后將壓坯置于燒結(jié)爐中進行無壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度歷時曲線如圖1所示，為了保證所燒結(jié)試件的力學(xué)性能，設(shè)置爐體在降溫過程中于315 ℃處保溫4 h.

圖1 燒結(jié)歷程曲線Fig.1 Sintering curve

1.2 SHPB動態(tài)沖擊實驗

采用SHPB測試系統(tǒng)對包含不同Al粒徑的PTFE/Al活性材料進行動態(tài)壓縮實驗，實驗測試系統(tǒng)如圖2所示，主要由發(fā)射裝置、壓桿系統(tǒng)、測試系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。其中壓桿系統(tǒng)包括撞擊桿、入射桿、透射桿和吸收桿。同時，在測試系統(tǒng)中加入高速攝像機，記錄試樣在沖擊壓縮載荷下的變形、失效及沖擊引發(fā)化學(xué)反應(yīng)的過程。

圖2 SHPB實驗系統(tǒng)Fig.2 Split-Hopkinson pressure bar test system

實驗中使用鋼桿進行動態(tài)加載，所采用的入射桿和透射桿長度均為1 200 mm，桿直徑為16 mm，撞擊桿長度為200 mm，試件尺寸為φ8 mm×5 mm，試件如圖3所示。相比于傳統(tǒng)金屬及合金材料，PTFE/Al活性材料的力學(xué)強度及機械阻抗較低，為避免材料在壓縮過程中應(yīng)力不均勻，使用真空硅脂將直徑8 mm的銅版紙圓片粘貼在入射桿前端作為波形整形器，以減緩入射脈沖的上升沿并減弱信號的彌散效應(yīng)。

圖3 PTFE/Al活性材料試件Fig.3 PTFE/Al specimens with different Al particle sizes

采用高速攝像技術(shù)記錄了不同Al粒徑的PTFE/Al試件在不同應(yīng)變率加載下壓縮變形、碎裂及點火反應(yīng)的過程，拍攝幀頻為30 000幀/s. 考慮到反應(yīng)釋放能量，發(fā)出明亮的火光，因此對高速攝像機照片進行處理，將其濾去虛光后轉(zhuǎn)換為灰度圖[16]，如圖4所示。以各照片中所有像素點的灰度值之和，即反應(yīng)亮度，表征反應(yīng)激烈程度，統(tǒng)計反應(yīng)亮度與時間的關(guān)系。高速攝像機照片分辨率為256像素×320像素。

圖4 高速攝像機照片處理示意圖Fig.4 Schematic diagram of high-speed photography image processing

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 加載應(yīng)變率對PTFE/Al活性材料沖擊反應(yīng)性能的影響

PTFE/Al活性材料需要在一定的沖擊加載條件下才能激發(fā)反應(yīng)，釋放出能量，因此，探究了加載應(yīng)變率對PTFE/Al活性材料沖擊反應(yīng)性能的影響規(guī)律。以初始撞擊時為0 μs時刻，圖像中亮度降為最大亮度的10% 時為反應(yīng)結(jié)束點。反應(yīng)延遲時間定義為從0 μs至點火現(xiàn)象出現(xiàn)的時間間隔，反應(yīng)持續(xù)時間定義為從點火現(xiàn)象出現(xiàn)至反應(yīng)結(jié)束點的時間間隔。

表1給出了發(fā)生反應(yīng)的兩種Al粒徑PTFE/Al活性材料在不同應(yīng)變率下的沖擊反應(yīng)數(shù)據(jù)。圖5為不同應(yīng)變率加載下兩種粒徑PTFE/Al活性材料的 反應(yīng)亮度- 時間曲線。不同應(yīng)變率加載時，反應(yīng)亮度曲線的峰值均在2×107左右，這是因為在峰值時刻反應(yīng)非常劇烈，高速攝像機拍攝到的整幅圖像基本呈現(xiàn)為明亮的白色，像素點灰度值大多為255. 圖6和圖7分別為Al粒徑50 nm和10 μm的PTFE/Al活性材料在不同應(yīng)變率加載下的沖擊反應(yīng)過程。粒徑為70 μm和200 μm的PTFE/Al活性材料未能在此應(yīng)變率下(3 000～5 000 s-1)發(fā)生反應(yīng)。

表1 不同Al粒徑PTFE/Al活性材料沖擊反應(yīng) 實驗結(jié)果Tab.1 Test results of PTFE/Al materials with different Al particle sizes

圖5 不同應(yīng)變率加載下材料反應(yīng)亮度- 時間曲線Fig.5 Brightness-time curves at different strain rates

圖5(a)中， Al粒徑為50 nm的PTFE/Al活性材料，材料的反應(yīng)延遲時間隨著應(yīng)變率的增加逐漸降低。當(dāng)加載應(yīng)變率為4 534 s-1和5 076 s-1時，活性材料均在858 μs時刻第1次拍攝到反應(yīng)火光，但這是受拍攝幀率限制，相鄰兩張圖像的拍攝間隔較大，為33 μs. 可由圖6火光范圍推測應(yīng)變率為5 076 s-1時，活性材料發(fā)生反應(yīng)早于應(yīng)變率為4 534 s-1時。隨著應(yīng)變率的增加，Al粒徑為10 μm的PTFE/Al活性材料反應(yīng)延遲時間不斷降低，火光的亮度不斷提高，反應(yīng)持續(xù)時間不斷增加，能量釋放不斷提升。從火光明亮程度和反應(yīng)持續(xù)時間來看，Al粒徑為50 nm的PTFE/Al活性材料整體能量釋放遠遠高于Al粒徑為10 μm的PTFE/Al活性材料。

Al粒徑為50 nm和Al粒徑為10 μm的 PTFE/Al活性材料的反應(yīng)延遲時間均隨著應(yīng)變率的提高而逐漸降低。對于同一材料而言，材料的臨界反應(yīng)能量一定，應(yīng)變率的提高意味著單位時間內(nèi)試件發(fā)生的應(yīng)變增加，能量沉積到臨界反應(yīng)能量的時間減少，反應(yīng)延遲時間逐漸降低。

但反應(yīng)持續(xù)時間隨應(yīng)變率的變化規(guī)律并不一致。粒徑為50 nm的PTFE/Al活性材料反應(yīng)相對充分很多，在較低應(yīng)變率加載時材料即可發(fā)生劇烈反應(yīng)。當(dāng)加載應(yīng)變率提高時，亮度曲線更快達到峰值，迅速發(fā)生充分反應(yīng)，反應(yīng)的傳播速率隨著加載應(yīng)變率的提高而提高。圖5(a)中，當(dāng)加載應(yīng)變率為3 537 s-1時，材料反應(yīng)持續(xù)時間相當(dāng)長，在飛散的活性材料碎片中也發(fā)生了充分的反應(yīng)，這可能是因為納米鋁粉的團聚導(dǎo)致該PTFE/Al活性材料試件中材料混合較不均勻。隨著應(yīng)變率增加，Al粒徑為10 μm的PTFE/Al活性材料反應(yīng)持續(xù)時間逐漸增加，這是因為在Al粒徑為10 μm的活性材料中，材料的反應(yīng)并不完全。觀察圖7(a)可以發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)火光消失時沖擊桿周圍仍然存在較多的PTFE/Al活性材料碎屑未參與反應(yīng)。隨著應(yīng)變率的提高，分散在沖擊桿周圍的PTFE/Al碎屑逐漸減少，參與反應(yīng)的PTFE/Al活性材料質(zhì)量隨著應(yīng)變率的提高逐漸增加，由此火光亮度和持續(xù)時間也隨之增加。

2.2 Al粒徑對PTFE/Al活性材料沖擊反應(yīng)性能的影響

圖8為Al粒徑分別為50 nm和10 μm的PTFE/Al活性材料在相似應(yīng)變率加載下沖擊反應(yīng)過程的亮度- 時間曲線。圖9～圖11分別為Al粒徑50 nm、10 μm、70 μm和200 μm的PTFE/Al活性材料在相似應(yīng)變率加載下的沖擊過程。

圖6 Al粒徑50 nm PTFE/Al試件在不同應(yīng)變率下沖擊反應(yīng)過程Fig.6 Shock-induced reaction processes of PTFE/Al-50 nm specimen at different strain rates

圖7 Al粒徑10 μm PTFE/Al試件在不同應(yīng)變率下沖擊反應(yīng)過程Fig.7 Shock-induced reaction processes of PTFE/Al-10 μm specimen at different strain rates

圖8 PTFE/Al活性材料的反應(yīng)亮度曲線Fig.8 Brightness-time curve of PTFE/Al shock induced reaction

當(dāng)Al粒徑為納米級別時，PTFE/Al活性材料相對更容易激發(fā)。試件從0 μs開始受到強烈壓縮，發(fā)生變形，內(nèi)部裂紋迅速拓展，材料發(fā)生失效并有大量的碎屑飛散，隨著試件被進一步壓縮，化學(xué)反應(yīng)被激發(fā)并迅速傳播，火光明亮且持續(xù)相對較長時間，反應(yīng)持續(xù)時間達到了1.3 ms左右。

Al粒徑為10 μm的PTFE/Al試件在沖擊下的現(xiàn)象與Al粒徑為50 nm時相似。對比Al粒徑為50 nm的PTFE/Al試件，Al粒徑為10 μm的PTFE/Al試件的反應(yīng)延遲時間更長，且Al粒徑為10 μm的PTFE/Al試件的反應(yīng)持續(xù)時間與反應(yīng)釋放的能量明顯低于Al粒徑為50 nm的PTFE/Al試件，當(dāng)火光消失時，圖像顯示仍有大量的破碎的活性材料剩余，這些部分并沒有參與到整體反應(yīng)中去。而Al粒徑為50 nm的PTFE/Al試件相對反應(yīng)得更加完全，在反應(yīng)結(jié)束時無材料剩余。

圖9 Al粒徑50 nm PTFE/Al試件在4 534 s-1應(yīng)變率下沖擊反應(yīng)過程Fig.9 Shock-induced reaction process of PTFE/Al-50 nm specimen at strain rate of 4 534 s-1

圖10 Al粒徑10 μm PTFE/Al試件在4 453 s-1應(yīng)變率下沖擊反應(yīng)過程Fig.10 Shock-induced reaction process of PTFE/Al-10 μm specimen at strain rate of 4 453 s-1

圖11 Al粒徑70 μm和200 μm PTFE/Al試件沖擊反應(yīng)過程Fig.11 Shock-induced reaction processes of PTFE/Al-70 μm and PTFE/Al-200 μm specimens

圖8中Al顆粒為50 nm的PTFE/Al活性材料峰值處亮度約為粒徑為10 μm的活性材料峰值亮度的3.7倍，亮度面積約為4.7倍。從圖9中反應(yīng)持續(xù)時間與反應(yīng)產(chǎn)生的火光強度都可以看出納米Al顆粒的PTFE/Al活性材料反應(yīng)程度遠高于Al粒徑為10 μm的PTFE/Al活性材料。

考慮到在SHPB加載過程中，反射的拉伸波會在入射桿撞擊端再反射形成壓縮波，由此對試件進行多次脈沖加載[17-18]。因此，使用實驗中透射桿的應(yīng)變數(shù)據(jù)計算試件的應(yīng)力時程曲線[19]。受采樣時間所限，曲線中僅體現(xiàn)出兩次脈沖加載過程，兩種不同粒徑試件的應(yīng)力脈沖加載曲線如圖12所示。將高速攝像機拍攝到的圖像與脈沖曲線取相同的零時刻，觀察圖像。在第1次脈沖結(jié)束時，Al粒徑為10 μm的PTFE/Al活性材料宏觀表現(xiàn)為變形和鐓粗，并未發(fā)生失效破碎；而Al粒徑為50 nm的PTFE/Al活性材料已經(jīng)發(fā)生失效，開始破碎。在第2次脈沖加載中，Al粒徑為10 μm的PTFE/Al活性材料破碎飛散；Al粒徑為50 nm的PTFE/Al活性材料出現(xiàn)兩個小火光點，發(fā)生點火現(xiàn)象，但反應(yīng)未傳播開，火光隨后消失。

圖12 PTFE/Al試件與透射桿接觸面的應(yīng)力脈沖曲線Fig.12 Stress-time curve on the interface between specimen and transmission bar

含有納米Al顆粒和微米Al顆粒的PTFE/Al試件在相似應(yīng)變率加載下沖擊反應(yīng)行為出現(xiàn)明顯差異主要是由于納米Al顆粒與微米Al顆粒的點火機理上存著差異[20]。對于微米粒徑的Al顆粒，通常認為當(dāng)Al顆粒表面的致密氧化鋁殼受熱融化后，或者由于內(nèi)部活性Al融化產(chǎn)生內(nèi)外壓差導(dǎo)致氧化鋁殼破碎之后，內(nèi)部的活性Al釋出與外界發(fā)生反應(yīng)，根據(jù)熱化學(xué)反應(yīng)結(jié)果[21]，其點火溫度通常在900 ℃以上。當(dāng)Al粒徑減小到50 nm時，包覆在Al顆粒表面的氧化鋁活性變高，可以與PTFE的分解產(chǎn)物發(fā)生氟化反應(yīng)，相對于微米Al顆粒而言，納米Al顆粒可以在更低的溫度條件(500 ℃左右)下發(fā)生點火反應(yīng)。這也意味著Al粒徑為納米級時，PTFE/Al活性材料的反應(yīng)更容易激發(fā)與擴散，而微米Al粒徑PTFE/Al活性材料的反應(yīng)更難激發(fā)與自持。因此納米Al粒徑的PTFE/Al活性材料反應(yīng)延遲時間短，反應(yīng)持續(xù)時間較長；微米Al粒徑的PTFE/Al活性材料反應(yīng)延遲時間長，反應(yīng)持續(xù)時間短，火光也相對暗淡。

由于納米Al極易團聚，基體可能無法較好地包裹納米Al顆粒，這使得試件中存在孔隙及脫粘等缺陷，在沖擊壓縮反應(yīng)中容易產(chǎn)生熱點，由此更容易激發(fā)材料的反應(yīng)[22]。因此，Al粒徑為50 nm的PTFE/Al活性材料在SHPB加載過程中承受的應(yīng)力脈沖幅值低于Al粒徑為10 μm的PTFE/Al活性材料，但由于其較差的力學(xué)性能及較低的反應(yīng)閾值，材料在第1次脈沖后發(fā)生破碎，而在第2次脈沖中點火；Al粒徑為10 μm的PTFE/Al活性材料在第2次脈沖中僅發(fā)生破碎。

Al粒徑為70 μm和200 μm的PTFE/Al活性材料在5 000 s-1左右應(yīng)變率的沖擊加載下，僅發(fā)生材料的失效破碎，無法激發(fā)反應(yīng)，這說明Al粒徑增大時，可能需要更高的加載應(yīng)變率才可激發(fā)其沖擊反應(yīng)。

3 結(jié)論

本文研究了4種Al粒徑的PTFE/Al活性材料在SHPB加載下的沖擊反應(yīng)特性，分析了Al粒徑在不同應(yīng)變率加載下對PTFE/Al沖擊反應(yīng)特性的影響規(guī)律。其主要結(jié)論如下：

1)隨著加載應(yīng)變率的增加，PTFE/Al活性材料反應(yīng)延遲時間降低，反應(yīng)更加激烈。Al粒徑為微米時，提高應(yīng)變率，材料反應(yīng)更加充分，反應(yīng)持續(xù)時間增加；但Al粒徑為50 nm時，提高加載應(yīng)變率，反應(yīng)速度大大提升，反應(yīng)持續(xù)總時間降低。調(diào)節(jié)加載應(yīng)變率可以有效地影響活性材料的反應(yīng)特性。

2)在相似應(yīng)變率下，隨著Al粒徑的增大，PTFE/Al活性材料的反應(yīng)延遲時間逐漸增加，反應(yīng)持續(xù)時間、反應(yīng)程度逐漸降低。就本文實驗數(shù)據(jù)而言，Al粒徑從50 nm增加到10 μm時，延遲時間最高增加40%，反應(yīng)持續(xù)時間降低可達17%，能量釋放相差多達2.6倍。當(dāng)Al粒徑達到70 μm時，在SHPB加載下難以發(fā)生反應(yīng)。

3)微米Al粒徑和納米Al粒徑的PTFE/Al活性材料由于其點火機理不同，在SHPB加載下反應(yīng)性能差異明顯，納米Al粒徑的PTFE/Al活性材料的能量釋放遠高于微米Al粒徑的PTFE/Al活性材料。